Fly med tre overflater - Three-surface aircraft

En Piaggio P.180 Avanti som viser sine tre løfteflater

En tre-overflate luftfartøy eller iblant tre-løfteflate fly har en foreplane , en sentral vinge og en tailplane . Den sentrale vingeflaten gir alltid løft og er vanligvis den største, mens funksjonene til for- og akterplanene kan variere mellom typer og kan omfatte løft, kontroll og/eller stabilitet.

I sivile fly kan de tre overflatekonfigurasjonene brukes til å gi sikre stoppegenskaper og kort start og landing (STOL) ytelse. Det hevdes også å tillate å minimere det totale vingeflaten, og redusere den medfølgende hudmotstanden. I kampfly kan denne konfigurasjonen også brukes til å forbedre manøvrerbarheten både før og utenfor boden, ofte i forbindelse med vektordrift .

Historie

En tidlig betegnelse som ble brukt i 1911 var "treplanssystem". Fernic -designene på 1920 -tallet ble referert til som "tandem". Selv om det faktisk er to løftende vingeflater i takt, danner haleplanen en tredje horisontal overflate.

Pionereksperimenter

1908 Voisin-Farman I

I løpet av luftfartsårene ble det fløyet en rekke fly med hjelpeflater både foran og bak. Spørsmålet om kontroll vs stabilitet ble dårlig forstått, og vanligvis var pitchkontroll på frontoverflaten med bakoverflaten også løftet, noe som førte til ustabilitet i pitch. Den Kress Drachenflieger av 1901 og Dufaux triplane av 1908 hadde ikke nok kraft til å ta av. Mer vellykkede typer inkluderer Voisin-Farman I (1907) og Curtiss nr. 1 (1909). Wright -brødrene eksperimenterte også med den grunnleggende Flyer -designen i et forsøk på å oppnå både kontrollerbarhet og stabilitet, og flyve den på forskjellige tidspunkter i første canard, deretter tre overflate og til slutt konvensjonelle konfigurasjoner. Ved utbruddet av første verdenskrig i 1914 hadde hovedfløyen med mindre bakhaleoverflate blitt den konvensjonelle konfigurasjonen og få tre overflatetyper ville bli fløyet i mange år. Den Fokker V.8 av 1917 og Caproni Ca.60 Noviplano av 1921 var begge feil.

Myk bod og STOL

Molniya-1

På 1920 -tallet utviklet George Fernic ideen om to løfteflater i takt, sammen med et konvensjonelt halefly. Det lille forflyet var sterkt belastet, og etter hvert som angrepsvinkelen økte, ble det designet for å stoppe først, noe som førte til at nesen droppet og lot flyet komme seg trygt uten å stoppe hovedfløyen. Denne "myke" boden gir et sikkerhetsnivå i boden som vanligvis ikke er tilstede i konvensjonelle design. Den Fernic T-9 , en tre-overflaten monoplan, fløy i 1929. Fernic ble drept i en ulykke mens du flyr sin etterfølger FT-10 Cruisaire.

Det er mulig å oppnå en så myk stall med en ren canarddesign , men det er da vanskelig å kontrollere pitching og svingninger kan utvikle seg ettersom forplanet gjentatte ganger løfter nesen, går i stå og blir frisk. Det må også tas hensyn til designet at det turbulente våknet fra det stoppede forplanet ikke i seg selv forstyrrer luftstrømmen over hovedfløyen tilstrekkelig til å forårsake betydelig tap av løft og avbryte neset ned. I designen med tre overflater stopper ikke den tredje haleflaten og gir bedre kontroll.

På 1950 -tallet utviklet James Robertson sin eksperimentelle Skyshark. Dette var en stort sett konvensjonell design, men med en rekke funksjoner, inkludert et lite canard forplan, som ikke bare skulle gi en trygg bod, men også en god start og landing (STOL). Forplanet tillot at STOL -ytelse ble oppnådd uten de høye angrepsvinklene og tilhørende farer ved stalling som kreves av konvensjonelle STOL -design. Flyet ble evaluert av den amerikanske hæren. Robertsons system ble kommersialisert som Wren 460 , et modifisert lettfly fra Cessna. Dette ble igjen lisensiert og produsert i løpet av 1980 -årene som Peterson 260SE og med forplanmodifikasjonen bare som 230SE. I 2006 kom en robust variant, Peterson Katmai , i produksjon. En stort sett lignende tilnærming er tatt av 1988 Eagle-XTS og dens derivater, Eagle 150- serien.

Manøvrerbarhet utover boden

Grumman X-29 , bakre strekklaffer avbøyd

Rundt 1979 begynte militære jetdesignere å studere konfigurasjoner med tre overflater som en måte å gi forbedret manøvrerbarhet og kontroll, spesielt ved lave hastigheter og høye angrepsvinkler, for eksempel under start og kamp. I USA fløy den eksperimentelle Grumman X-29 i 1984 og en modifisert McDonnell Douglas F-15 , F-15 STOL/MTD , i 1988, men disse designene ble ikke fulgt opp. I Sovjetunionen fløy en Sukhoi Su-27 modifisert med canard-forfly i 1985 og derivater av denne designen ble de eneste militære tre-overflatetyper som kom i produksjon.

Minimum vingeflate

Skalert kompositt triumf

Også i 1979 begynte Piaggio med designstudier på en sivil tvillingturboprop med tre overflater som, i samarbeid med Learjet , ville dukke opp som Piaggio P.180 Avanti . Denne typen fløy første gang i 1986 og gikk i drift i 1990, og produksjonen fortsatte i dag. I Avanti påstås det at tre-overflatekonfigurasjonen reduserer vingestørrelsen, vekten og motstanden betydelig sammenlignet med den konvensjonelle ekvivalenten.

To eksperimentelle fly som adopterte denne konfigurasjonen ble senere bygget av Scaled Composites under ledelse av Burt Rutan og fløyet i 1988. Triumph var et veldig lett jetfly med to turbofan designet for Beechcraft . Flytesting validerte målrettet ytelsesområde. Den Catbird var en enkelt-motors propelldrevne luftfartøy, for seg av Rutan som en erstatning for den Beechcraft Bonanza . Den har verdensrekorden for hastighet over en lukket krets på 5000 km (3100 mi) uten nyttelast på 334,44 km/t (207,81 mph) satt i 2014.

Jagerflydesign

Sukhoi Su-33

Noen avanserte jetfly har en konfigurasjon på tre overflater, ofte i forbindelse med skyvevektorer . Dette er vanligvis ment å forbedre kontrollen og manøvrerbarheten, spesielt ved svært høye angrepsvinkler utover stallpunktet til hovedfløyen. Noen avanserte kampmanøvrer som Pugachevs Cobra og Kulbit ble først utført på Sukhoi tre-overflatefly.

Den eksperimentelle Grumman X-29 var av grunnleggende "tail-first" canard- konfigurasjon, med uvanlige fremover-feide vinger og streker som strekker seg bakover fra de viktigste vingrøttene. Bevegelige klaffer i enden av streken gjorde den effektivt til en tre-overflatedesign. X-29 demonstrerte eksepsjonell høy vinkel for angrepsmanøvrerbarhet.

En mer enkel tre-overflatedesign er sett i flere varianter av den ellers konvensjonelle Sukhoi Su-27 . Etter det vellykkede tillegget av forfly til canard til et utviklingsfly, ble disse innlemmet i en rekke påfølgende produksjonsvarianter, inkludert marine Su-33 (Su-27K), noen Su-30-er, Su-35 og Su-37. Den kinesiske Shenyang J-15 arver også konfigurasjonen av Su-33.

Den McDonnell Douglas F-15 STOL / MTD ble en F-15 flyskroget modifisert med nese foreplanes og retningsstyrt kraftpådrag, utformet for å demonstrere disse teknologiene for både STOL ytelse og god manøvrerbarhet.

Redusert overflateareal

Likevekt for et konvensjonelt (øverst) og et treflatefly (nederst)

Konfigurasjonen med tre overflater hevdes å redusere det totale aerodynamiske overflatearealet sammenlignet med konvensjonelle og canardkonfigurasjoner, og dermed muliggjøre drag og vektreduksjon.

Pitch -likevekt

På de fleste fly beveger vingens presspunkt seg fremover og bakover i henhold til flyforholdene. Hvis det ikke er i tråd med tyngdepunktet , må det utøves en korrigerende eller trimstyrke for å forhindre at flyet slår og dermed opprettholde likevekt.

På et konvensjonelt fly påføres denne pitch trim -kraften av et halefly . På mange moderne konstruksjoner er vingens trykkpunkt normalt akterfor tyngdepunktet, så haleplanen må utøve en nedadgående kraft. Enhver slik negativ løft generert av halen må kompenseres med ekstra løft fra hovedfløyen, og dermed øke kravene til vingeareal, motstand og vekt.

På et fly med tre overflater kan pitch trim-kreftene deles etter behov under flyging mellom forplanet og haleflyet. Likevekt kan oppnås med løft fra forplanet i stedet for nedover fra haleflyet. Begge effektene, den reduserte nedstyrken og den ekstra løftekraften, reduserer belastningen på hovedfløyen.

Den Piaggio P.180 Avanti har flaps på både sin fremre kant og hovedfløy. Begge klaffene distribueres samtidig for å opprettholde pitch nøytralitet for start og landing.

Statisk stabilitet og bås

For et fly i et fly , for å tillate naturlig statisk stigningsstabilitet ved normal flyging, må forflyet gi løft. Også for at flyet skal ha trygge stall egenskaper den foreplane må stall før hovedfløyen, pitching flyet ned og slik at flyet å komme seg. Dette betyr at en sikkerhetsmargin må brukes på hovedfløyområdet, slik at maksimal løftekoeffisient og vingebelastning aldri oppnås i praksis. Dette betyr igjen at hovedfløyen må økes i størrelse.

På et fly med tre overflater fungerer haleplanen som en konvensjonell horisontal stabilisator . I bås-tilstand, selv om hovedfløyen er stoppet, kan haleflyet gi et nedkjøringsøyeblikk og tillate gjenoppretting. Vingen kan dermed brukes opp til maksimal løftekoeffisient, en fordel som kan føre til en reduksjon av areal og vekt.

Et løfteplan er plassert foran tyngdepunktet, så løftemomentet virker i samme retning som enhver bevegelse i tonehøyde. Hvis flyet skal være naturlig stabilt, må forplanets størrelse, løftehelling og momentarm velges slik at det ikke overmanner stabiliseringsmomentet som vingen og haleplanen gir. Stabilitetsbegrensninger begrenser dermed forplanets volumforhold (et mål på effektiviteten i trim og stabilitet), noe som igjen kan begrense dets evne til å dele pitch trim -krefter som beskrevet ovenfor.

Vingearealreduksjon

Minimumsstørrelsen på et flys løftevinger bestemmes av: flyets vekt, kraften som kreves for å motsette seg den negative heisen som produseres av den horisontale stabilisatoren, den målrettede start- og landingshastigheten og løftekoeffisienten for vingene .

De fleste moderne fly bruker bakkantsklaffer på hovedfløyen for å øke løftekoeffisienten for vinger under start og landing; dermed tillate vingen å være mindre enn den ellers ville trenge å være. Dette kan redusere vekten av vingen, og det reduserer alltid vingens overflate. Reduksjon av overflateareal reduserer proporsjonalt hudmotstand i alle hastigheter.

En ulempe ved bruk av bakkantklaffer er at de gir et betydelig negativt pitching -øyeblikk når de er i bruk. For å balansere dette pitching -øyeblikket må den horisontale stabilisatoren være noe større enn den ellers ville være, slik at den kan produsere nok kraft til å balansere det negative pitch -momentet som skapes av bakkantsklaffene. Dette betyr igjen at hovedfløyen må være noe større enn den ellers ville måtte være for å balansere det større negative løftet som produseres av den større horisontale stabilisatoren.

På et fly i flyet kan forflyet gi et positivt løft ved start, noe som reduserer nedkraften som stabilisatoren bak ellers ville måtte skape. Imidlertid må hovedfløyen være stor nok til ikke bare å løfte flyets gjenværende vekt ved start, men også for å gi tilstrekkelig sikkerhetsmargin for å forhindre at det går i stå. På et fly med tre overflater er ingen av disse handikappene tilstede, og hovedfløyen kan reduseres i størrelse, så det reduserer også vekt og motstand. Det hevdes at det totale arealet av alle vingeflater på et tre-overflate fly kan være mindre enn det til tilsvarende to-overflate fly, slik at både vekt og motstand reduseres.

Minste areal på cruise kan reduseres ytterligere ved bruk av konvensjonelle høyløfteanordninger som klaffer, slik at en tre-overflatedesign kan ha et minimum overflateareal på alle punkter i flykonvolutten.

Eksempler på treflaterfly med redusert areal inkluderer Piaggio P.180 Avanti og Scaled Composites Triumph og Catbird . Disse flyene ble designet for å eksponere et minimum av totalt overflateareal for slipstrømmen; reduserer dermed overflatemotstanden for hastighet og drivstoffeffektivitet. Flere anmeldelser sammenligner Avantis topphastighet og servicetak med det for jetfly med lavere ende, og rapporterer om betydelig bedre drivstoffeffektivitet ved cruisehastighet. Piaggio tilskriver denne ytelsen delvis layouten på flyet, og hevdet en reduksjon på 34% av det totale vingearealet sammenlignet med en konvensjonell layout.

Liste over fly med tre overflater

Se også

• Canard (luftfart)
• Stabilisator (luftfart)
• Halefly
• Vingekonfigurasjon

Referanser

Merknader

Bibliografi

• Garnison, P ; TEKNISKHETER: Three's Company ; Flying , desember 2002, s. 85–86